Тема 3 Строение сплавов
3.1. Типы сплавов
СПЛАВ – это вещество, в состав которого входит два или несколько химических элементов. Сплав всегда имеет прочность и твердость больше, чем химически чистый металл, который составляет основу сплава. Пластичность сплава обычно ниже, чем у чистого металла – но есть исключение. У сплавов на основе меди при добавлении других химических элементов пластичность вначале повышается, но после достижения определенного химического состава начинает снижаться, как и в других сплавах.
Сплавы всегда имеют сопротивление электрическому току намного выше, чем чистые металлы. Поэтому из сплавов не делают проводов – кроме приборов, где провод должен сильно нагреваться. Например, так сделаны нагреватели печей для подогрева металлов перед горячей пластической деформацией.
Так как прочность и твердость сплавов выше, чем у чистых металлов, все детали машин делают только из сплавов. Поэтому необходимо подробно рассмотреть строение сплавов. Сплавы обычно получают путем сплавления – то есть переводят металл – основу в жидкое состояние при высокой температуре, добавляют в жидкий металл остальные химические элементы и охлаждают жидкий сплав. При охлаждении происходит КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ – из жидкого металла выделяются кристаллы. Но у различных химических элементов, входящих в состав сплава, кристаллическая решетка может быть разного типа. Это может привести к разному механизму кристаллизации.
Кристаллическое строение сплавов.
Существует три типа сплавов, исходя из их кристаллического строения.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СМЕСИ образуются, если входящие в состав сплава химические элементы взаимно не растворяются в твердом состоянии и каждый из них образует собственные кристаллы со своей кристаллической решеткой. По границам кристаллы разных типов плохо связаны между собой, и обычно механические смеси имеют низкую пластичность и ударную вязкость. Примером механических смесей являются сплавы свинец – сурьма (Pb – Sb), алюминий – кремний (Al – Si).
В ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЯХ элементы взаимодействуют между собой и образуют общую кристаллическую решетку. Обычно эта решетка не такая, как образует каждый из элементов. В кристаллической решетке атомы химических элементов взаимодействуют между собой и расположены в соответствии с химической формулой этого соединения. Химические соединения имеют постоянную температуру плавления. Как будет показано далее, все остальные сплавы плавятся в интервале температур, между температурами начала и окончания плавления могут быть десятки градусов.
ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ - это сплавы, в которых один из металлов (растворитель, он содержится в наибольшем количестве) сохраняет свою собственную кристаллическую решетку, а другие металлы и неметаллы в этой кристаллической решетке располагаются в виде атомов ВНЕДРЕНИЯ или атомов ЗАМЕЩЕНИЯ (рис. 3.1). При образовании твердых растворов происходит искажение кристаллической решетки металла – растворителя. Наиболее заметное искажение происходит в твердых растворах внедрения. В растворах замещения искажение решетки менее заметно и зависит от размеров атомов замещения – чем они больше, тем решетка искажена сильнее. Чем больше общее искажение решетки, тем сильнее затруднено движение дислокаций, значит выше прочность и твердость сплава, но ниже пластичность.
Рис.3.1. Схема размещения атомов в твердом растворе. 1 – атом внедрения, 2 – атом замещения.
От искажения кристаллической решетки при образовании твердых растворов зависит растворимость одного химического элемента в другом. Если искажение очень велико, дальнейшая растворимость становится невозможной и дополнительно вводимые атомы образуют свою фазу, появляются кристаллы другого вида. Если металл – растворитель и растворяемый металл имеют кристаллические решетки одного типа и размеры их атомов отличаются не более чем на 15%, то возможно образование неограниченных по концентрации твердых растворов.